Title of article :
Nonlocal Effect on Buckling of Triangular Nano-composite Plates
Author/Authors :
Shahidi, A. R Department of Mechanical Engineering - Isfahan University of Technology , Anjomshoa, A Department of Mechanical Engineering - Isfahan University of Technology , Shahidi, S. H Department of Mechanical Engineering - Isfahan University of Technology , Raeisi Estabragh, E Department of Mechanical Engineering - University of Jiroft
Pages :
15
From page :
411
To page :
425
Abstract :
In the present study, small scale effect on critical buckling loads of triangular nano-composite plates under uniform in-plane compression is studied. Since at nano-scale the structure of the plate is discrete and the long-range cohesive forces become important, the size dependent nonlocal elasticity theory is employed to develop an equivalent continuum plate model for this nanostructure incorporating the change in its mechanical behavior. Two parameter Winkler-Pasternak elastic medium is used to precisely model the elastic behavior of the matrix surrounding the nano-plate. The governing stability equations are then derived using the classical plate theory and the principle of virtual work for a perfect uniform triangular nano-plate composite system. The well-known numerical Galerkin method is then used as the basis for the solution in conjunction with the areal coordinates system. The solution procedure views the entire nano-composite plate as a single super element which can be of general shape. Effects of nonlocal parameter, length, aspect ratio, mode number, anisotropy, edge supports and elastic medium on buckling loads are investigated. All of these parameters are seen to have significant effect on the stability characteristics of nano-composite plate. It is shown that the results depend obviously on the non-locality of buckled nano-composite plate, especially at very small dimensions, small aspect ratios, higher mode numbers, higher anisotropy and stiffer edge supports. Also it is seen that the medium parameters, especially the Winkler parameter, have significant influence on the small scale effect and can decrease or increase it. Also, it is seen that the classical continuum mechanics overestimates the results which can lead to deficient design and analysis of these widely used nanostructures. The results from current study can be used in design, analysis and optimization of different nano-devices such as nano-electro-mechanical systems (NEMS) utilizing nano-composite plates as load-bearing components. Although it is seen that nano-fillers, here the nano-plates, increase the stiffness of the whole nano-composite, by increasing the bending rigidities, on the other hand it is shown in this study that the small scale effect or the nonlocal effect decreases the critical loads of the nano-composite system. Thus, the nonlocal effect plays a key role in the design of these nano structures and must be attended and comprehensively studied to avoid the failure of the nano structure. Further, the solution employed here is general and can be applied to nano-composite plates with arbitrary shapes which is an asset in structural optimization.
Farsi abstract :
در مطالعه حاضر اثرات مقياس كوچك بر بارهاي بحراني كمانشي نانوصفحات كامپوزيتي مثلثي تحت بارگذاري فشاري يكنواخت درون صفحه اي بررسي شده است. از آنجا كه در مقياس كوچك ساختار صفحات گسسته است و اثر نيروهاي چسبنده طويل برد قابل ملاحظه مي شود، تئوري الاستيسته مقياس پذير غيرمحلي براي بسط دادن يك مدل پيوسته معادل براي نانوصفحات با درنظر گرفتن تغيير در رفتار مكانيكي آنها بكار گرفته شده است. براي مدل سازي دقيق رفتار الاستيك ماتريس حول نانوصفحه از مدل الاستيك دو پارامتري وينكلر-پاسترناك استفاده شدهاست. در ادامه معادلات حاكم بر پايداري با استفاده از تئوري كلاسيك صفحات و اصل كار مجازي براي نانوصفحه كامپوزيتي مثلثي بدون نقص هندسي استخراج گرديده است. سپس از روش عددي معروف گالركين به همراهي دستگاه مختصات مساحتي به عنوان مبناي روش حل استفاده شده است. روش حل حاضر كل نانوصفحه كامپوزيتي را به عنوان يك ابرالمان صفحه اي پيوسته با شكل دلخواه در نظر مي گيرد. اثر پارامتر غير محلي، ابعاد، نسبت منظر، مودهاي كمانشي، ناهمسانگردي، تكيه گاه ها در لبه و ماتريس الاستيك بر بارهاي بحراني مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان ميدهد كه تمامي اين پارامترها تاثير چشمگيري بر مشخصه هاي پايداري نانوصفحات كامپوزيتي دارند. نتايج بارهاي بحراني به طور مشهود به مقدار پارامتر غيرمحلي نانوصفحه كمانش يافته خصوصا در ابعاد كوچكتر، نسبت منظر كمتر، مودهاي كمانشي بالاتر، ناهمسانگردي بيشتر و تكيه گاه هاي محكم تر بستگي دارد. همچنين ديده شده پارامترهاي ماتريس الاستيك، خصوصا پارامتر وينكلر، تاثير بسزايي بر اثر مقياس كوچك دارند و مي توانند منجر به كاهش يا افزايش آن شوند. استفاده از تئوري الاستيسيته كلاسيك، به واسطه تخمين مقادير زياد براي بارهاي بحراني، ميتواند به طراحي و تحليل ناقص اين نانوساختارهاي پر كاربرد منجر شود. نتايج حاصل از تحقيق حاضر ميتواند در طراحي، تحليل و بهينه سازي بسياري از نانو سيستم ها نظير نانو سيستم هاي الكتريكي- مكانيكي كه از نانوصفحات كامپوزيتي به عنوان اجزاء باربر بهره مي گيرند مورد استفاده قرار گيرند. اگر چه ديده شده كه پركننده هاي نانو در نانوكامپوزيت ها با افزايش سختي خمشي استحكام كلي نانوصفحات كامپوزيتي را افزايش مي دهند اما در مطالعه حاضر از سوي ديگر نشان داده شده كه اثر مقياس كوچك در نانوساختارها، نانوصفحات در اين پژوهش، استحكام نانوصفحات كامپوزيتي و در نتيجه بارهاي بحراني كمانشي آن را كاهش مي دهد. در نتيجه اثر مقياس كوچك نقش مهمي در طراحي و تحليل اين نانوساختارها بازي ميكند كه بايد به منظور جلوگيري از فروپاشي اين ساختارها به طور دقيق و كامل مورد بررسي و توجه قرار گيرد. علاوه بر اين روش حل مورد استفاده در مطالعه حاضر يك روش تعميم يافته است كه مي تواند براي تحليل نانوصفحات كامپوزيتي با شكل دلخواه مورد استفاده قرار گيرد كه يك مزيت در مطالعه بهينه سازي ساختاري به شمار مي رود
Keywords :
Buckling Analysis , Small Scale Effect , Nonlocal Elasticity Theory , Triangular Nano-composite Plate , Galerkin Method
Journal title :
Astroparticle Physics
Serial Year :
2016
Record number :
2422612
Link To Document :
بازگشت